葉子波 高群 徐偉 劉健

摘 ?要：隨著國家對新能源電池技術(shù)要求的不斷提高，在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，文章結(jié)合極片制造和電池裝配的工藝流程，對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)設(shè)計進(jìn)行研究，詳細(xì)闡述了動力電池智能化生產(chǎn)制造體系，以增強學(xué)生在新能源電池企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級中的研發(fā)能力。

關(guān)鍵詞：“互聯(lián)網(wǎng)+”;“機械設(shè)計基礎(chǔ)”;新能源動力電池

作者簡介：葉子波、高群、徐偉、劉健，廣東技術(shù)師范大學(xué)。（廣東 廣州 510665）

基金項目：本文系廣州市民生項目“新能源汽車電源系統(tǒng)火災(zāi)預(yù)防機制和應(yīng)急機制處理預(yù)案研究與示范應(yīng)用”（編號：201803030041）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號：1671-0568（2019）24-0033-03

2015年5月19日國務(wù)院提出“中國制造2025”作為我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)，并提出通過“三步走”實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標(biāo)。高校教師應(yīng)在“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的指導(dǎo)下，對高等教育管理的改革方案提出對策和建議，利用互聯(lián)網(wǎng)思維積極探索新的教學(xué)模式和優(yōu)化課堂教學(xué)方法，并把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中提升教學(xué)效果，提高學(xué)生對信息化和工業(yè)化深度融合的認(rèn)識。[1]專業(yè)基礎(chǔ)課程“機械設(shè)計基礎(chǔ)”是車輛工程專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)必修課程，在培養(yǎng)學(xué)生的機械設(shè)計能力和創(chuàng)新能力所需的知識和素質(zhì)結(jié)構(gòu)中，占有十分重要的地位。[2]電動汽車和可再生能源開發(fā)為動力電池發(fā)展提供了應(yīng)用基礎(chǔ)，成為全球發(fā)展的熱點和經(jīng)濟(jì)增長點。因此，將互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與新能源動力電池產(chǎn)品設(shè)計相融合，對“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)方法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，并提出產(chǎn)品追溯的實施方法和用戶參與的策略，旨在增強學(xué)生對新能源汽車動力電池技術(shù)工作的適應(yīng)能力和開發(fā)創(chuàng)造能力。

一、“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革的必要性和目標(biāo)

機械產(chǎn)品系統(tǒng)由多個結(jié)構(gòu)與功能相對獨立的零件和電子器件組成，對機械產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行功能分解或結(jié)構(gòu)分解之后，其子系統(tǒng)之間是相互聯(lián)系和相互作用的，某一子系統(tǒng)性能的改變將影響其他相關(guān)子系統(tǒng)，從而對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響。目前，國內(nèi)一些電池企業(yè)仍采用抽樣檢測的方法，并人工記錄電池關(guān)鍵參數(shù)，以此來衡量整批產(chǎn)品的質(zhì)量情況。但是，用抽樣數(shù)據(jù)代表總體存在風(fēng)險性，而且手工記錄的實時性差，若出現(xiàn)不合格品而不及時更正，則會浪費過多材料和工時。互聯(lián)網(wǎng)作為一個工具，互聯(lián)網(wǎng)加上任何一個行業(yè)可以形成全新的商業(yè)模式，甚至顛覆消費習(xí)慣并拓展消費市場，運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集裝配過程信息并實現(xiàn)信息化的過程監(jiān)控、系統(tǒng)整體性能的反饋以及故障源的追溯，有助于設(shè)計人員快速便捷地掌握產(chǎn)品質(zhì)量并進(jìn)行修改和設(shè)計。所以，在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下，動力電池產(chǎn)品制造的服務(wù)平臺能夠標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計流程，把自動化生產(chǎn)布局、工藝流程、安全輔助、環(huán)境控制等要素統(tǒng)籌規(guī)劃，實現(xiàn)生產(chǎn)信息和管理信息的高度融合。

在滿足本課程人才培養(yǎng)要求的前提下，“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程改革旨在推動車輛工程系面向新能源領(lǐng)域的課程教學(xué)的順利開展和實施，教學(xué)改革的具體目標(biāo)是在發(fā)展新能源汽車這一發(fā)展戰(zhàn)略背景下利用“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺對“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，提出具體的教學(xué)方法，為社會培養(yǎng)高素質(zhì)的工業(yè)設(shè)計人才。

二、“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下教學(xué)改革的內(nèi)容和實施方法

“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的課程改革是通過模擬建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能化工廠，指導(dǎo)學(xué)生分析動力電池在制造過程中影響電化學(xué)性能和安全性的因素，運用互聯(lián)網(wǎng)思維構(gòu)建智能生產(chǎn)中各類資源的信息采集和過程追溯的系統(tǒng)集成平臺，實現(xiàn)電池生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)設(shè)備智能化的相互連通。其主要內(nèi)容有兩點：一是極片生產(chǎn)線的質(zhì)量控制及其設(shè)備運行參數(shù)的采集;二是電池裝配工藝數(shù)字化和電化學(xué)檢測。

無論是生產(chǎn)工藝，還是裝配工藝，質(zhì)量管理技術(shù)架構(gòu)（如圖1所示）包含設(shè)備工藝、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和用戶訪問這四個層次。在設(shè)備工藝層中極片生產(chǎn)和電池裝配所用的主要設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸接口，設(shè)備運行時的各參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集層獲取，實時傳輸至數(shù)據(jù)處理層進(jìn)行統(tǒng)計分析，用戶訪問層則可以讀取各類數(shù)據(jù)點以監(jiān)控和指導(dǎo)生產(chǎn)。

課程改革所需的器材和實驗場地可基于學(xué)院的發(fā)動機實驗室或整車實驗室進(jìn)行改裝，實驗室需騰出位置放置控制系統(tǒng)、模擬工廠環(huán)境的裝配線、物料回收區(qū)和供師生討論的教學(xué)區(qū)。該課程改革要求學(xué)生把理論知識與智能化的生產(chǎn)實踐緊密結(jié)合，[3]訓(xùn)練學(xué)生的動手操作能力。

以實驗室常用的CR2032型扣式電池為例，[4]電池主要部件有扣式電池殼、正極片、隔膜、集電器、支撐片、負(fù)極片和電解液，扣式電池制備工藝包括調(diào)漿、極片制備、電池裝配、干燥注液、封口和化成分容等，全過程的工藝流程和儀器設(shè)備分別如圖2和表1所示，在實驗過程中學(xué)生記錄設(shè)備的運行參數(shù)和半成品的關(guān)鍵質(zhì)量特性值。例如，干粉球磨時的擺震頻率和干粉粒度，真空攪拌時的攪拌轉(zhuǎn)速和漿料粘度，極片涂布時的涂敷速度和極片厚度，極片輥壓時的輥壓壓力和壓實密度，真空烘干時的干燥溫度和時間?？凼诫姵匮b配過程中的注液量和裝配完成后電池的容量、效率、倍率、內(nèi)阻等也是重要的參數(shù)。

學(xué)生根據(jù)每一個步驟列舉主要影響因素并記錄存儲參數(shù)值，運用無線射頻識別技術(shù)（RFID）、二維碼或序列號則可讀取這些參數(shù)值，而且系統(tǒng)集成平臺把原料來源、半成品裝配線和成品庫相關(guān)聯(lián)，以保證原料供應(yīng)和生產(chǎn)工藝的物流通暢。此外，平臺的功能還有人員信息、產(chǎn)品履歷管理等。人員信息包括裝配過程中零件的所在工位、加工狀態(tài)、操作人員等，產(chǎn)品履歷管理主要存儲各零件供應(yīng)商的信息、生產(chǎn)批次號和零件庫存等，為產(chǎn)品裝配過程的質(zhì)量控制或有質(zhì)量問題產(chǎn)品的召回以及后期追溯提供了依據(jù)。為了滿足整車廠商對單體電池和整體一致性的需求，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的動力電池智能化工廠把設(shè)備信息和產(chǎn)品數(shù)據(jù)都存儲于系統(tǒng)集成平臺，綜合考查學(xué)生運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和借助大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法去評價電池制造工序的穩(wěn)定性，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量異常情況并分析原因。

三、結(jié)語

“互聯(lián)網(wǎng)+新能源動力電池產(chǎn)業(yè)”模式下，“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革指導(dǎo)學(xué)生開發(fā)基于互聯(lián)網(wǎng)的電池產(chǎn)品設(shè)計平臺，模擬智能工廠的運作流程，提高產(chǎn)品的直通率。此課程改革具有拓展性，學(xué)生可自主設(shè)計與自己專業(yè)相關(guān)或興趣所在領(lǐng)域的案例，在基于互聯(lián)網(wǎng)平臺的案例基礎(chǔ)上充分學(xué)習(xí)，進(jìn)一步擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機械產(chǎn)品的系統(tǒng)集成上應(yīng)用，以提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和用戶參與產(chǎn)品管理為目的，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗，動手完成實驗。

參考文獻(xiàn)：

[1] 范勇，吳姝芹，陳小勇.“互聯(lián)網(wǎng)+”機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)問題與解決思路[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（24）： 82-84.

[2] 甘樹坤，呂雪飛.基于遞進(jìn)式能力培養(yǎng)的汽車類專業(yè)機械基礎(chǔ)課群建設(shè)與實踐[J].職業(yè)技術(shù)教育，2018，39（20）： 27-30.

[3] 陳鋒.產(chǎn)教融合： 深化與演化的路徑[J].中國高等教育，2018，（Z2）： 13-16.

[4] V. Murray，D. S. Hall，J. R. Dahn. A guide to full coin cell making for academic researchers batteries and energy storage[J].Journal of The Electrochemical Society，2019，166（2）：A329-A333.

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